关键词： 穿刺机器人   呼吸运动   系统标定   柔顺控制   精准穿刺  

摘要： 在神经外科、牙科和骨科等组织结构稳定的临床手术领域,穿刺手术机器人发挥着越来越重要的作用,但在呼吸运动下肝脏等软组织穿刺过程中仍面临较大挑战。肝脏等部位受呼吸运动影响,易产生组织蠕变,靶区产生漂移,术中与术前的图像信息无法准确匹配,若直接按照术前图像空间中规划好的路径进行穿刺,会造成靶区定位精度低、穿刺针受力产生弹性形变,对组织造成损伤。所以如何避免呼吸运动在肝脏等软组织穿刺过程中的影响,提高病变靶区的定位精度和补偿穿刺过程中针体受力,是穿刺手术机器人在肝脏等软组织穿刺过程中能否充分发挥作用的关键。 本文针对上述问题进行以下研究: （1）设计呼吸运动下光力信息融合肝穿刺机器人系统。为保证在人体呼吸运动作用下,对肝脏等软组织部位靶区的穿刺仍具有较高精度和安全性,本文充分结合光学定位系统、多自由度机械臂、六维力传感器、手术工具、穿刺针、穿刺对象以及机器人软件控制中心,搭建呼吸运动下穿刺机器人软硬件平台,为后续算法研究提供良好的基础。 （2）研究空间自适应标定算法和靶区空间姿态约束定位算法。在标定过程中,对机械臂的运动轨迹进行规划,使得机械臂末端以特定的规律平移或旋转,同时在运动过程中利用光学定位系统获取手术工具上反光标记球的空间位置信息。该标定算法接收反光标记球位置数据,并计算出不同部件之间的姿态变化关系,用于穿刺机器人系统中的定位和导航。为保证光学定位系统和机械臂之间产生相对偏移后无需再次标定,利用坐标系闭环转换原理计算机械臂末端到手术工具的固定解,进而大幅提高系统的适用性。实验结果表明,该算法凭借少量输入数据便可准确标定,可有效应用于穿刺机器人系统中。同时本文构建一种靶区定位数学模型,研究空间姿态约束定位算法,通过计算机器人目标位姿,基于光学定位和PID伺服反馈,控制机器人平稳地运动至目标位姿,使得整个穿刺过程更加安全可控。最终通过静态下的巴拿马小猪穿刺实验结果表明,基于光学信息引导的最终定位穿刺距离偏差为1.60 mm,角度偏差为0.32°,满足肝穿刺临床精度需求。 （3）研究穿刺机器人空间姿态约束重力补偿控制算法和力反馈控制下的零力跟随算法。由于固定在六维力传感器上的手术工具及穿刺针自身重力和传感器零漂等因素的影响,无法直接通过传感器获取施加在手术工具上的外力。因此,本文研究穿刺机器人空间姿态约束重力补偿控制算法,利用机械臂基座、机械臂末端、手术工具和六维力传感器之间的姿态变化关系,结合机械臂运动学构造力信息拟合方程,大量采集不同姿态下手术工具的空间位姿进行求解。最终计算结果表明,在不受外部力的干扰下,传感器各个维度的力读数在0.40 N以下。肝脏等软组织受呼吸运动影响产生蠕变,在穿刺过程中穿刺针易受周围组织的作用力而产生弹性形变,对正常组织器官造成损害,从而给病人造成二次伤害。因此本文研究基于力反馈控制系统的零力跟随算法,以解决穿刺过程中穿刺针受力补偿的问题。实验结果表明补偿后穿刺针各个维度受力均值不高于1.00 N,最高有效补偿率为97.26%,满足不损伤正常组织器官的条件。

关键词： 复合机器人   正逆运动学   步态规划   稳定性   柔顺控制  

摘要： 目前焦炉立火道温度主要依靠人工测量,但是人工测温的效率比较低,且测量的温度不可靠,炉顶温度较高,会对工人身体造成一定的伤害,本文针对人工测量的一系列问题,设计了一种仿蝎式复合机器人,复合机器人是一种集成移动机器人与工业机器人两项功能为一身的新型机器人,该复合机器人的行走机构由6条机械腿构成;执行机构由3条机械臂构成,分别为钳形机械臂、尾形机械臂和带有摄像头的机械臂,本文将复合机器人到达测温点的过程分为两个阶段:快速行走阶段和协同测温阶段,快速行走阶段:3条机械臂处于收缩状态,仿蝎式复合机器人的重心处于躯干中心,可以实现机器人快速行走;协同测温阶段:3条机械臂与6条机械腿协同动作,保证机器人稳定行走的同时,3条机械臂到达测温状态,为下一步测温做好准备,两个阶段相结合可以大大提高工作效率,为了提高复合机器人在这两个阶段下的行走稳定性,本文主要研究内容及结论如下:(1)针对复合机器人的结构设计进行合理性分析,采用Solidworks建立机械腿、钳形机械臂和尾形机械臂的三维模型并进行必要的Ansys有限元应力分析,采用Matlab对所设计的结构进行DH模型建立,通过正逆运动学分析解算复合机器人机械腿、钳形机械臂和尾形机械臂的逆运动学方程,建立整机的DH结构模型,采用蒙特卡罗法得出在各个关节的转动范围内机器人的工作空间模型,分析了复合机器人进行焦炉测温工作的可行性和合理性。(2)针对机器人的步态稳定性问题,以稳定裕度理论为依据,确定两种工作阶段下的两种稳定步态,并用复合摆线轨迹对这两种步态进行轨迹规划,能够减小足端与地面的冲击,提高行走稳定性;然后对机器人执行机构的轨迹进行优化分析,通过Matlab建立的DH模型,分别采用三次多项式和五次多项式进行轨迹规划,分析各个关节的角速度以及角加速度的变化,最终采用五次多项式对执行机构进行轨迹规划。(3)针对机器人在行走过程中腿部末端与地面接触后的速度震荡问题,提出了一种复合机器人腿部接触力优化的柔顺控制模型,通过Adams与Simulink联合仿真建立仿蝎式复合机器人的柔顺控制模型,分析仿真过程中各个接触点速度的变化,与传统的逆运动学控制模型进行对比,接触点的最大震荡速度由3·/s下降到2·/s,下降了33%,复合机器人行走更加稳定。(4)为了验证控制方案的有效性,搭建仿蝎式复合机器人实验样机,首先对机器人的单腿控制进行简单测试,然后进行机器人在野外不平整地形下的运动稳定性试验,以躯干俯仰角、翻滚角作为机器人的稳定性能评价指标,经测试机器人的俯仰角和翻滚角都在±0.5°之间,满足机器人的运动稳定性要求,验证本文设计的仿蝎式复合机器人结构的合理性以及提出的柔顺控制方案的正确性。本文所提出的仿蝎式复合机器人整体结构、步态设计、轨迹规划和柔顺控制方案为今后六足机器人的研制有一定的参考价值,对改善机器人足端的接触速度震荡问题有着一定的理论指导意义,该复合机器人有效提高了运动稳定性,同时成功解决了焦炉炉顶的测温问题,为焦炭生产提供了有力保障,具有重要的工程应用价值。

关键词： 打磨抛光机器人   动力学参数辨识   力/位柔顺控制   自适应阻抗控制  

摘要： 随着机器人应用领域不断的深入拓展,机器人使用的交互场景越来越复杂。经典阻抗控制模式能够实现末端力和末端位置的动态平衡,同时兼顾末端力和末端位置的跟踪控制。经典阻抗控制模式中阻抗参数是预先设定的定常值,当面对外界环境位置突变或刚度突变时,无法及时响应外界突变导致瞬时接触力过大或过小。为保证复杂交互场景下的稳态力/位跟踪,本文提出一种基于模糊自适应阻抗实现力/位柔顺控制的方法。旨在根据外界环境的变化趋势,机器人末端与外界环境交互过程中呈现柔顺特性。主动响应外界环境突变及内部噪声影响,并及时做出相应的补偿,在打磨抛光等实际应用场景中可以保证待加工产品质量一致性。主要研究内容和结论如下:选取XB4机器人作为研究对象,开展XB4机器人正、逆运动学分析,并基于Matlab-Simmechanic进行仿真验证。根据牛顿-欧拉法建立机器人动力学模型,为更充分地描述机器人动力学特性,引入线性摩擦补偿动力学模型。依据动力学模型提出动力学前馈轨迹跟踪控制器,采用李雅普诺夫函数进而验证跟踪控制器的稳定性。针对XB4机器人展开动力学参数辨识,在求取基参数集的过程中引入参数归一的处理方法,有效规避相邻参数间数量级相差悬殊带来的误差影响。选取五阶傅里叶级数作为激励轨迹,配合实际物理约束及非线性优化函数确定最优的五阶傅里叶级数激励轨迹。采集关节编码器及电机电流数据,转化为关节转角及关节力矩信息。代入参数辨识框图,求解得到各关节的动力学参数。搭建计算力矩与仿真力矩对比实验平台,证明辨识得到的动力学参数符合动力学特性。将辨识的动力学参数引入动力学前馈轨迹控制框图中验证轨迹跟踪效果,根据跟踪效果证实动力学前馈可以补偿动态特性及提高轨迹跟踪精度。提出基于模糊自适应的力/位柔顺控制方法,根据反馈接触力及接触力变化率实时调整阻抗因子,实现末端接触力与末端位置之间的动态平衡关系,使机器人末端与外界环境接触时呈现柔顺性。在Matlab中建立Simulink框图分析该控制方法下恒力、正弦力跟踪效果及位置跟踪效果,搭建力/位柔顺实机控制平台。分别设计平面及弧面两种打磨工况,验证基于阻抗控制的力/位柔顺控制实效性。

关键词： 分数阶阻抗   接触过程   机器人力控制   柔顺控制  

摘要： 针对机器人与物理环境动态接触过程中产生的瞬态超调、跟踪响应慢和稳态精度差的问题,提出了基于分数阶的机器人阻抗控制策略。首先,分析当前整数阶阻抗控制接触过程手段依靠改变更新速率和增减弹性项来适应不同任务,设计出了更加灵活的分数阶阻抗控制。根据分数阶阻抗的固有属性设计增益系数将分数阶阻抗映射为整数阶阻抗便于计算和实际应用,并将提升整数阶阻抗控制的一些特性引入到分数阶阻抗进一步提升性能,并分析了动态调整边界。仿真结果表明,所提出的分数阶阻抗能够直接削减接触过程产生的接触力超调峰值,对系统不稳定的振荡行为有一定的抑制作用,适合机器人与动态未知环境接触交互的应用场景。

关键词： 变胞机器人   驻车转向重构   运动学模型   自适应阻抗控制   粒子群优化算法  

摘要： 变胞机器人能够根据外界环境变化在轮式行驶和足式行走两种运动模式间自然切换,因此兼具在平整结构路面上快速行驶和在崎岖山地越障行走的能力。基于广义坐标法建立了变胞机器人转向重构过程的运动学模型,考虑到重构过程中摆动腿与环境接触时存在较大冲击,提出了利用阻抗控制方法实现摆动腿着地柔顺控制。在传统阻抗控制的基础上,基于李雅普诺夫渐进稳定性定理设计了自适应阻抗控制器,并利用粒子群优化算法对阻抗控制参数进行了优化。通过在不同环境刚度下仿真分析,证实了经过参数优化后的自适应阻抗控制器能够很好地实现对期望接触力的跟随,提高了变胞机器人对未知多变环境的适应性。最后针对变胞机器人转向重构过程中足着地进行了路面实验,进一步证实了优化后的自适应阻抗控制方法的优越性。

关键词： 双臂空间机器人   捕获操作   弹簧阻尼机构   障碍Lyapunov函数   模糊自适应控制  

摘要： 空间机器人捕获卫星操作过程中不可避免地会与卫星接触、碰撞,此过程中若未对其关节进行有效的保护,很容易造成捕获操作失败,因此提出在各关节电机与机械臂之间添加一种弹簧阻尼机构,该机构不仅能够实现碰撞冲击能量的吸收及柔性振动的抑制,还能配合设计的柔顺策略实现捕获操作的柔顺化。分别利用含耗散力Lagrange方程与Newton-Euler方程导出了碰撞前的双臂空间机器人与卫星分体系统动力学方程;结合Newton第三定律、捕获点的速度及闭链几何约束获得了捕获完成后的混合体系统动力学方程,且通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力;基于障碍Lyapunov函数设计了一种状态约束控制方法,实现了轨迹的高精度跟踪;采用模糊自适应控制器对系统的不确定项进行拟合,解决了系统参数不确定的影响。通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性,并利用数值模拟验证了缓冲机构的抗冲击性能及所提柔顺策略的有效性。

关键词： 双臂空间机器人   捕获操作   弹簧阻尼装置   分数阶超扭滑模控制   柔顺策略  

摘要： 针对双臂空间机器人捕获非合作卫星的关节保护问题,在关节电机与机械臂之间加入一种弹簧阻尼装置(SDD),实现了碰撞冲击能量的缓冲、卸载;通过三阶观测器对系统的速度和加速度进行重构,解决了关节受空间限制未能安装速度、加速度传感器导致速度、加速度无法测量的问题;提出了一种匹配SDD的分数阶超扭滑模柔顺控制策略,实现了捕获后的闭链混合体系统的镇定控制,并通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性。数值仿真结果表明:SDD可将碰撞冲击载荷减小52.25%,柔顺策略可有效限制关节瞬时冲击力矩。

关键词： 双臂空间机器人   捕获操作   弹簧阻尼机构   积分终端滑模   灰狼优化算法   柔顺策略  

摘要： 空间机器人在捕获卫星操作过程中会发生剧烈碰撞,若不对其脆弱的关节进行保护,则可能造成空间机器人的损坏.为此在空间机器人关节电机与机械臂之间加入一种弹簧阻尼机构,该机构不仅可以在碰撞过程中缓冲、吸收冲击能量,而且可以通过设计与之配合的柔顺策略实现混合体系统的镇定控制.首先,针对捕获前的双臂空间机器人开环系统与目标卫星系统,分别利用Lagrange法与Newton-Euler法建立分体系统动力学模型;结合动量定理、速度约束、闭链几何约束及牛顿第三定律,导出捕获后的闭链混合体系统动力学模型,并计算冲击效应与碰撞力;然后,针对混合体系统的控制问题,提出一种配合弹簧阻尼机构的积分终端滑模控制方案,通过灰狼优化算法对滑模控制器的参数进行优化,实现混合体系统快速、稳定的镇定控制;最后,利用Lyapunov定理证明系统的稳定性,并通过数值仿真验证缓冲机构的抗冲击性能与柔顺策略的有效性.